Ewig, geheimnisvoll, kosmisch, Material der Zukunft – all diese und viele weitere Beinamen werden Titan in verschiedenen Quellen zugeordnet. Die Entdeckungsgeschichte dieses Metalls war nicht trivial: Gleichzeitig arbeiteten mehrere Wissenschaftler daran, das Element in seiner reinen Form zu isolieren. Der Prozess der Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und der Bestimmung der Anwendungsgebiete ist bis heute nicht abgeschlossen. Titan ist das Metall der Zukunft, sein Platz im menschlichen Leben ist noch nicht endgültig bestimmt, was modernen Forschern einen enormen Spielraum für Kreativität und wissenschaftliche Forschung bietet.
Eigenschaft
Das chemische Element Titan (Titanium) wird im Periodensystem von D. I. Mendeleev durch das Symbol Ti angezeigt. Es befindet sich in der sekundären Untergruppe der Gruppe IV der vierten Periode und hat die Seriennummer 22. Die einfache Substanz Titan ist ein weiß-silbernes Metall, leicht und langlebig. Die elektronische Konfiguration eines Atoms hat folgende Struktur: +22)2)8)10)2, 1S22S22P 6 3S23P63d24S 2. Dementsprechend hat Titan mehrere mögliche Oxidationsstufen: 2,3, 4, in den stabilsten Verbindungen ist es vierwertig.
Titan - Legierung oder Metall?
Diese Frage interessiert viele. 1910 erhielt der amerikanische Chemiker Hunter das erste reine Titan. Das Metall enthielt nur 1 % Verunreinigungen, aber gleichzeitig erwies sich seine Menge als vernachlässigbar und ermöglichte keine weitere Untersuchung seiner Eigenschaften. Die Plastizität der erh altenen Substanz wurde nur unter dem Einfluss hoher Temperaturen erreicht, unter normalen Bedingungen (Raumtemperatur) war die Probe zu zerbrechlich. Tatsächlich interessierte dieses Element die Wissenschaftler nicht, da die Aussichten für seine Verwendung zu ungewiss schienen. Die Schwierigkeit der Beschaffung und Erforschung verringerte das Potenzial für seine Anwendung weiter. Erst 1925 erhielten die niederländischen Chemiker I. de Boer und A. Van Arkel Titanmetall, dessen Eigenschaften die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Designern auf der ganzen Welt auf sich zogen. Die Geschichte der Erforschung dieses Elements beginnt 1790, genau zu dieser Zeit entdecken zwei Wissenschaftler parallel und unabhängig voneinander Titan als chemisches Element. Jeder von ihnen erhält eine Verbindung (Oxid) einer Substanz, ohne das Metall in seiner reinen Form zu isolieren. Der Entdecker des Titans ist der englische Mineralogenmönch William Gregor. Auf dem Territorium seiner Gemeinde im Südwesten Englands begann der junge Wissenschaftler, den schwarzen Sand des Menaken-Tals zu untersuchen. Das Ergebnis von Experimenten mit einem Magneten war die Freisetzung von glänzenden Körnern, bei denen es sich um eine Titanverbindung handelte. Zur gleichen Zeit isolierte der Chemiker Martin Heinrich Klaproth in Deutschland eine neue Substanz aus dem MineralRutil. 1797 bewies er auch, dass parallel geöffnete Elemente ähnlich sind. Titandioxid ist vielen Chemikern seit mehr als einem Jahrhundert ein Rätsel, und selbst Berzelius war nicht in der Lage, reines Metall zu gewinnen. Die neuesten Technologien des 20. Jahrhunderts beschleunigten den Prozess der Untersuchung des genannten Elements erheblich und bestimmten die ersten Richtungen für seine Verwendung. Gleichzeitig erweitert sich der Anwendungsbereich ständig. Nur die Komplexität des Prozesses zur Gewinnung einer solchen Substanz wie Reintitan kann seinen Anwendungsbereich einschränken. Der Preis für Legierungen und Metall ist ziemlich hoch, sodass es heute traditionelles Eisen und Aluminium nicht verdrängen kann.
Herkunft des Namens
Menakin - der erste Name für Titan, der bis 1795 verwendet wurde. So nannte W. Gregor nach territorialer Zugehörigkeit das neue Element. Martin Klaproth gibt dem Element 1797 den Namen „Titan“. Zu dieser Zeit schlugen seine französischen Kollegen unter der Leitung des ziemlich angesehenen Chemikers A. L. Lavoisier vor, die neu entdeckten Substanzen nach ihren grundlegenden Eigenschaften zu benennen. Der deutsche Wissenschaftler war mit diesem Ansatz nicht einverstanden, er glaubte vernünftigerweise, dass es in der Entdeckungsphase ziemlich schwierig ist, alle einem Stoff innewohnenden Eigenschaften zu bestimmen und sie im Namen widerzuspiegeln. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass der von Klaproth intuitiv gewählte Begriff vollständig dem Metall entspricht - dies wurde von modernen Wissenschaftlern immer wieder betont. Es gibt zwei Haupttheorien für den Ursprung des Namens Titan. Das Metall könnte so zu Ehren der Elfenkönigin Titania benannt werden(Charakter der germanischen Mythologie). Dieser Name symbolisiert sowohl die Leichtigkeit als auch die Stärke des Stoffes. Die meisten Wissenschaftler neigen dazu, die Version der Verwendung der antiken griechischen Mythologie zu verwenden, in der die mächtigen Söhne der Erdgöttin Gaia Titanen genannt wurden. Auch der Name des zuvor entdeckten Elements Uran spricht für diese Variante.
In der Natur sein
Von den für den Menschen technisch wertvollen Metallen ist Titan das vierthäufigste in der Erdkruste. Lediglich Eisen, Magnesium und Aluminium sind in der Natur durch einen hohen Anteil gekennzeichnet. Der höchste Titangeh alt wird in der Bas altschale festgestellt, etwas weniger in der Granitschicht. Im Meerwasser ist der Geh alt dieser Substanz gering - etwa 0,001 mg / l. Das chemische Element Titan ist ziemlich aktiv, daher kann es nicht in seiner reinen Form gefunden werden. Am häufigsten ist es in Verbindungen mit Sauerstoff vorhanden, während es eine Wertigkeit von vier hat. Die Anzahl der titanh altigen Mineralien variiert von 63 bis 75 (in verschiedenen Quellen), während Wissenschaftler im gegenwärtigen Forschungsstadium weiterhin neue Formen seiner Verbindungen entdecken. Für die praktische Anwendung sind folgende Mineralien von größter Bedeutung:
- Ilmenit (FeTiO3).
- Rutil (TiO2).
- Titanit (CaTiSiO5).
- Perowskit (CaTiO3).
- Titanmagnetit (FeTiO3+Fe3O4) usw.
Alle vorhandenen titanh altigen Erze werden unterteilt inalluvial und basisch. Dieses Element ist ein schwacher Wanderer, es kann sich nur in Form von Gesteinsfragmenten oder sich bewegenden schlammigen Bodenfelsen fortbewegen. In der Biosphäre findet sich die größte Menge an Titan in Algen. Bei Vertretern der Landfauna sammelt sich das Element in den Horngeweben, Haaren. Der menschliche Körper ist durch das Vorhandensein von Titan in Milz, Nebennieren, Plazenta und Schilddrüse gekennzeichnet.
Physikalische Eigenschaften
Titan ist ein Nichteisenmetall mit einer silbrig-weißen Farbe, die wie Stahl aussieht. Bei einer Temperatur von 0 0C beträgt seine Dichte 4,517 g/cm3. Die Substanz hat ein für Alkalimetalle (Cadmium, Natrium, Lithium, Cäsium) typisches niedriges spezifisches Gewicht. Titan nimmt in Bezug auf die Dichte eine Zwischenstellung zwischen Eisen und Aluminium ein, wobei seine Leistungsfähigkeit höher ist als die beider Elemente. Die Haupteigenschaften von Metallen, die bei der Bestimmung des Anwendungsbereichs berücksichtigt werden, sind die Streckgrenze und die Härte. Titan ist 12-mal stärker als Aluminium, 4-mal stärker als Eisen und Kupfer und dabei viel leichter. Die Plastizität eines reinen Stoffes und seine Streckgrenze ermöglichen eine Verarbeitung bei niedrigen und hohen Temperaturen wie bei anderen Metallen, z. B. durch Nieten, Schmieden, Schweißen, Walzen. Ein charakteristisches Merkmal von Titan ist seine geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit, während diese Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen bis zu 500 0С erh alten bleiben. In einem Magnetfeld ist Titan ein paramagnetisches Element, das ist es nichtwird wie Eisen angezogen und nicht wie Kupfer herausgedrückt. Einzigartig ist der sehr hohe Korrosionsschutz in aggressiven Umgebungen und bei mechanischer Beanspruchung. Mehr als 10 Jahre im Meerwasser haben das Aussehen und die Zusammensetzung der Titanplatte nicht verändert. Eisen würde in diesem Fall durch Korrosion vollständig zerstört.
Thermodynamische Eigenschaften von Titan
- Dichte (unter normalen Bedingungen) beträgt 4,54 g/cm3.
- Die Ordnungszahl ist 22.
- Metallgruppe - Feuerfest, leicht.
- Titan hat eine Atommasse von 47,0.
- Siedepunkt (0С) – 3260.
- Molvolumen cm3/mol – 10, 6.
- Titanschmelzpunkt (0С) – 1668.
- Spezifische Verdampfungswärme (kJ/mol) – 422, 6.
- Elektrischer Widerstand (bei 20 0С) Ohmcm10-6 – 45.
Chemische Eigenschaften
Die erhöhte Korrosionsbeständigkeit des Elements beruht auf der Bildung eines kleinen Oxidfilms auf der Oberfläche. Es verhindert (unter normalen Bedingungen) chemische Reaktionen mit Gasen (Sauerstoff, Wasserstoff) in der umgebenden Atmosphäre eines Elements wie Titanmetall. Seine Eigenschaften verändern sich unter Temperatureinfluss. Wenn es auf 600 0С ansteigt, tritt eine Wechselwirkungsreaktion mit Sauerstoff auf, die zur Bildung von Titanoxid (TiO2) führt. Bei der Aufnahme von atmosphärischen Gasen entstehen spröde Verbindungen, die keine praktische Anwendung finden, weshalb das Schweißen und Schmelzen von Titan unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird. reversible Reaktionist der Prozess der Wasserstoffauflösung im Metall, er tritt mit zunehmender Temperatur aktiver auf (ab 400 0С und höher). Titan, insbesondere seine kleinen Partikel (dünne Platte oder Draht), brennt in einer Stickstoffatmosphäre. Eine chemische Wechselwirkungsreaktion ist nur bei einer Temperatur von 700 °C möglich 0С, was zur Bildung von TiN-Nitrid führt. Bildet mit vielen Metallen, oft als Legierungselement, hochharte Legierungen. Es reagiert mit Halogenen (Chrom, Brom, Jod) nur in Gegenwart eines Katalysators (hohe Temperatur) und unter Wechselwirkung mit einer Trockensubstanz. Dabei entstehen sehr harte feuerfeste Legierungen. Mit Lösungen der meisten Alkalien und Säuren ist Titan chemisch inaktiv, mit Ausnahme von konzentrierter Schwefelsäure (bei längerem Sieden), Flusssäure, heißen organischen Verbindungen (Ameisensäure, Oxalsäure).
Einzahlungen
Ilmeniterze kommen in der Natur am häufigsten vor - ihre Reserven werden auf 800 Millionen Tonnen geschätzt. Die Vorkommen an Rutilvorkommen sind viel bescheidener, aber das Gesamtvolumen - bei gleichzeitiger Aufrechterh altung des Produktionswachstums - sollte die Menschheit für die nächsten 120 Jahre mit einem solchen Metall wie Titan versorgen. Der Preis des fertigen Produkts hängt von der Nachfrage und einer Erhöhung der Herstellbarkeit ab, variiert jedoch im Durchschnitt im Bereich von 1200 bis 1800 Rubel/kg. Unter Bedingungen ständiger technischer Verbesserung werden die Kosten aller Produktionsprozesse durch ihre rechtzeitige Modernisierung erheblich reduziert. China und Russland haben die größten Reserven an Titanerzen sowie MineralienJapan, Südafrika, Australien, Kasachstan, Indien, Südkorea, Ukraine, Ceylon haben eine Rohstoffbasis. Die Lagerstätten unterscheiden sich in der Produktionsmenge und dem Titananteil im Erz, geologische Untersuchungen sind im Gange, was einen Rückgang des Marktwerts des Metalls und seine breitere Verwendung vermuten lässt. Russland ist mit Abstand der größte Produzent von Titan.
Empfangen
Für die Herstellung von Titan wird am häufigsten Titandioxid verwendet, das eine minimale Menge an Verunreinigungen enthält. Es wird durch Anreicherung von Ilmenitkonzentraten oder Rutilerzen gewonnen. Im Elektrolichtbogenofen findet die Wärmebehandlung des Erzes statt, die mit der Abscheidung von Eisen und der Bildung von titanoxidh altiger Schlacke einhergeht. Zur Aufarbeitung der eisenfreien Fraktion wird das Sulfat- oder Chloridverfahren eingesetzt. Titanoxid ist ein graues Pulver (siehe Foto). Titanmetall wird durch seine schrittweise Verarbeitung gewonnen.
Die erste Phase ist das Sintern der Schlacke mit Koks und die Einwirkung von Chlordampf. Das entstehende TiCl4 wird mit Magnesium oder Natrium reduziert, wenn es einer Temperatur von 850 0C ausgesetzt wird. Titanschwamm (poröse Schmelze), der durch eine chemische Reaktion gewonnen wird, wird raffiniert oder zu Barren geschmolzen. Je nach weiterer Verwendungsrichtung entsteht eine Legierung oder reines Metall (Verunreinigungen werden durch Erhitzen auf 1000 0С entfernt). Zur Herstellung einer Substanz mit einem Verunreinigungsgeh alt von 0,01 % wird die Jodidmethode verwendet. Es basiert auf dem ProzessVerdunstung aus einem mit Halogen vorbehandelten Titanschwamm, dessen Dämpfe.
Anwendungsbereiche
Der Schmelzpunkt von Titan ist ziemlich hoch, was angesichts der Leichtigkeit des Metalls ein unschätzbarer Vorteil bei der Verwendung als Konstruktionsmaterial ist. Daher findet es die größte Anwendung im Schiffbau, in der Luftfahrtindustrie, in der Herstellung von Raketen und in der chemischen Industrie. Titan wird häufig als Legierungszusatz in verschiedenen Legierungen verwendet, die erhöhte Härte- und Hitzebeständigkeitseigenschaften aufweisen. Hohe Korrosionsschutzeigenschaften und die Fähigkeit, den meisten aggressiven Umgebungen standzuh alten, machen dieses Metall für die chemische Industrie unverzichtbar. Titan (seine Legierungen) wird zur Herstellung von Rohrleitungen, Tanks, Ventilen und Filtern verwendet, die bei der Destillation und dem Transport von Säuren und anderen chemisch aktiven Substanzen verwendet werden. Es ist gefragt, wenn Geräte hergestellt werden, die unter Bedingungen erhöhter Temperaturindikatoren arbeiten. Titanverbindungen werden zur Herstellung von langlebigen Schneidwerkzeugen, Farben, Kunststoffen und Papier, chirurgischen Instrumenten, Implantaten, Schmuck, Veredelungsmaterialien und in der Lebensmittelindustrie verwendet. Alle Richtungen sind schwer zu beschreiben. Die moderne Medizin verwendet aufgrund der vollständigen biologischen Sicherheit häufig Titanmetall. Der Preis ist der einzige Faktor, der bisher die Breite der Anwendung dieses Elements beeinflusst. Es ist fair zu sagen, dass Titan das Material der Zukunft ist, indem man untersucht, was die Menschheit passieren wirdauf eine neue Entwicklungsstufe.
